真空高压电子束焊接设备验收方案设计

摘要： 从安全、性能和焊接质量等方面提出了一整套系统的、全面的真空高压电子束焊接设备验收方案，分别从电气安全、电子枪系统、真空系统和工作性能等方面详细叙述了如何验收一台真空高压电子束焊接设备，为真空高压电子束焊接设备开发人员在设计时提供借鉴。

关键词： 电子束焊接设备；电气安全；电子枪系统；真空；性能试验

中图分类号： TP242.2，TH115

Acceptance scheme design of electron welding equipment

Chen Heng1，2，Shi Chunbiao1，2，Yu Wei1，2

（1.Institute of Mechanical Manufacturing Technology， China Academe Engineering Physics， Mianyang 621900，China；

2. National Machine Tool Production Quality Supervision Testing Center（Sichuan）， Mianyang 621900，China）

Abstract： A systemic and comprehensive program was designed to check the electron welding equipment from safety， capability and work performance. How to test a electron welding equipment was designed from electrical safety， electron gun system， vacuum system， work performance and other aspects. It provides a reference for the developers of electron welding equipment during their designing work.

Key words： electron welding equipment； electrical safety； electron gun system； vacuum； performance test

1.2^缘电阻试验

绝缘电阻试验的主要目的是验证机床动力电路、控制电路中相线/部件相对于外露可导电部分的绝缘能力，评判机床防漏电水平。该试验主要参考标准为GB/T 26675―2011[3]。机床电气系统绝缘电阻试验主要包括整机测试、动力电路测试以及控制电路测试，在机床验收中主要以整机测试为主。整机测试方法为在保护接地导线和电源端子间施加DC500 V电压，稳定后测量绝缘电阻，其难点在于对测试机床电气结构的调整。一般情况下，需对电气结构作如下调整：断开浪涌保护器件、用短接线短接动力电路的所有执行部件的控制电器（接触器、继电器、空气开关等），使动力电路处于接通状态；短接变压器的初级与次级；断开控制电路与保护联结电路的连接等。

[BT2]1.3耐压试验

耐压性能是考核机床绝缘的一个重要指标，当外界电流出现高压渗入时仍能确保电路对设备的良好绝缘，防止设备在运行中被击穿，造成触电或其它事故。耐压试验只针对动力电路，且必须在绝缘电阻试验通过的基础上才能进行。试验在外部保护接地端子PE和相线之间进行，试验电压在10 s内从0 V上升到1 000 V，并保持5 s，如果没有发生击穿现象，则符合试验主要参考标准GB/T 26676-2011[4]要求。另外，外绝缘破坏性放电电压与试验时的大气条件有关，放电电压随空气密度增加而升高。为保证耐压试验结果的准确，不应在图1所示的温度和湿度阴影区域外进行耐压试验。

除此之外，电气安全项目中还有一个特别值得注意的地方是高压电源的安全防护。高压电源是电子束焊接设备的主要部分，它为电子束焊接设备提供加速电源和偏压电源。研究表明，高压电源在工作时，电源的内部会产生过电压或过电流以致损坏电源或IGBT，[HJ]因此必须采取保护电路来保证电源的安全工作[5]。高压电源保护电路应包括过压保护电路、梯度上升及下降电路与过电流保护电路。

[BT1]2电子枪系统

电子枪系统是整个电子束焊接设备的核心部分，其性能能够直接反映整个电子束焊接设备的好坏，是验收的关键环节。通过对于标准的分析与所内多年使用、维护经验指导，总结出以下几个电子枪系统重点检测项目：加速电压、束流、聚焦电流等。

根据标准《Welding-Acceptance inspection of electron beam welding machines-Part 1：Principles and acceptance conditions》 ISO 14744-1中规定。表2中给出的检测项目限值是根据国外多年测试数据积累给出。若无特殊要求，以下限值的设定能够为电子枪系统的性能评判提供准确、可靠的基准。

电子枪系统参数的测量一般是通过引出测试点进行测量。根据ISO标准，测量时，各参数应该进行如下配置。

（1）纹波：加速电压和束流的纹波应该在如下参数配置情况下分别测量。①额定最大加速电压+额定最大束流；额定最大加速电压+0.5倍额定最大束流；额定最大加速电压+0.1倍额定最大束流；②额定最小加速电压+额定最大束流；额定最小加速电压+0.5倍额定最大束流；额定最小加速电压+0.1倍额定最大束流。聚焦电流的纹波应该在额定最大值与额定最小值两种情况下分别测量。

（2）稳定性：加速电压、束流以及聚焦电流的稳定性应该在如下参数配置情况下测量：额定最大加速电压+0.1倍额定最大束流+0.5倍（额定最大聚焦电流+额定最小聚焦电流）；连续运行时间不少于30 min。

（3）重复性：加速电压、束流以及聚焦电流的重复性应该在如下参数配置情况下测量：0.5倍（额定最大加速电压+额定最小加速电压）+0.5倍额定最大束流+0.5倍（额定最大聚焦电流+额定最小聚焦电流）；开关5次进行重复测量。

[BT1]3真空系统

真空系统一般包括电子枪真空系统（分子泵前级泵、分子泵）、室低真空系统（旋片泵、罗茨泵、低真空阀）、室高真空系统（扩散泵、高真空阀）以及挡板阀、放气阀、真空测量仪器等，它主要用于维持电子枪和真空室的真空状态，以满足零件焊接的需要。

[BT2]3.1真空度

从电子束的加工工艺来说，焊接质量很大程度上取决于真空系统的环境。真空度的提高不但可以减少高速电子束的减速和阻尼现象，而且抽真空的效率对电子束的整个加工时间起着决定性的作用[6]。真空系统的真空度和抽真空时间的评判可以参照表3中的要求进行。

3.2真空系统噪声

真空系统的组成必然决定了其在运行过程中会产生大量的噪声，然而噪声是一种影响十分广泛的环境污染，对人的生理和心理都有严重影响。特别是在企业的机加车间，机床的噪声危害很大，如果达到80 dB（A）以上，将对工人的听觉健康、注意力和情绪造成严重威胁[7]。文中借鉴GB/T 9061―2006 《金属切削机床通用技术条件》中的方法使用2型声级计，按照图2测试点位置进行测量，噪声水平不应超过80 dB（A）。

除此以外，真空室的真空度保持能力也

是评判真空系统性能的重要指标，以真空泄漏率表示。具体试验方法为：首先测量真空室容积V；当真空室达到工作真空度后，读取真空度P1，时间t1；停止真空泵对真空室抽气；经过一定时间t2（一般为12 h）后，读取此时的

式中：V为真空室容积，单位为m3；P1与P2分别为停止真空泵前后的真空室庋梗单位为Pa；t1与t2分别为停止真空泵前后读取真空室气压的时间值，单位为h。

4性能试验

4.1空运转试验

电子束焊接设备在验收的时候需要进行空运转试验，检测各项功能是否正常。其空运转试验可按照表4进行。

4.2负荷运转试验

负荷运转试验应在空运转试验合格后进行，并对其工作台最大承载试验、连续焊接试验等项目进行检测。焊缝电子观察系统的性能检测也在此阶段进行，以能否清晰观察到焊缝位置为判定标准。[FL）]

传动轴在全行程内移动，进给和回退动作应灵活，限位可靠，无爬行现象。检验手轮（柄）操纵力及其反向空程量。

（1）电器检查：通电后检查各指示灯、显示器、继电器、接触器等的工作状态是否正常。操作程序按使用说明书；

（2）电源参数检验：真空电子束焊接设备的供电电源应是三相动力电源系统，且网压波动不能超过±10%；

（3）急停器件急停动作试验5次，应符合GB 5226.1的规定。

控制系统功能试验[]

控制系统应进行如下试验：

（1）多轴运动；（2）灯丝加热优化；（3）高频扫描；（4）焊缝成形；

（5）其它。

工作液系统试验[]在设计规定的最高工作液压力下，应符合以下要求：（1）容器、泵、阀、管路、管接头处不应渗漏；

（2）压力和流量调节装置应灵敏、可靠；压力表和流量表指示应灵敏、正确。[BG）F][HT]

4.3几何精度

电子束焊接设备精度检验应在负荷运转试验前进行，试验后须复检精度（可根据情况抽查某些项目）。电子束焊接设备几何精度检测包括工作台x向（y向）运动在水平面的直线度、工作台x向（y向）运动在垂直面的直线度、转台径向跳动以及转台端面跳动等项目。检验过程中不应调整影响机床性能、精度的机构和零件，否则将对复检精度产生一定影响。

[BT2]4.4试件评定

电子束焊件检验项目主要包括力学性能、外观质量、内部质量和致密性检查四部分[8]。焊件最大深宽比能够集中体现电子束焊接设备的工作性能，因此将其也作为评判焊接质量的关键指标，且高性能的电子束焊接设备焊件最大深宽比能够达到20∶[KG-*2]1以上。

4.5其它

电子束焊接设备检测除了需要完成上述的几个主要项目以外，还存在一些其它需要重点检测的内容，例如真空室尺寸、电子束偏转控制装置、运动系统、控制系统、冷却系统等。这些都是能够直接影响设备是否合格、能否顺利通过验收的重要因素。

5结束语

提出从电气安全、电子枪系统、真空系统和设备性能等方面对电子束焊接设备进行检查验收，是对长期开展电子束焊接设备检测活动的总结。检测项目根据国家及国际相关标准梳理，项目齐全，条理清晰，检测方法可行。为今后电子束焊接设备设计人员提供了系统的依据，有利于电子束焊接设备市场朝着更加正规、标准的方向发展。

参考文献

[1]左从进. ZD系列电子束焊接技术及应用[J]. 制造技术与机床，2004（2）：41-43.

[2]全国工业机械电气系统标准化技术委员会. GB/T 26679―2011 机床电气、电子和可编程电子控制系统保护联结电路连续性试验规范[S].北京：中国标准出版社，2011.

[3][CM（24]全国工业机械电气系统标准化技术委员会. GB/T[CM）][LL] [KG*2]26675―2011 机床电气、电子和可编程电子控制系统绝缘电阻试验规范[S].北京：中国标准出版社，2011.

[4]全国工业机械电气系统标准化技术委员会. GB/T 26676―2011 机床电气、电子和可编程电子控制系统耐压试验规范[S].北京：中国标准出版社，2011.

[5]叶汉民. 电子束焊机用逆变型高压电源的设计[J].电力电子技术，2000（5）：3-5.

[6]薛虹，顾文琪，刘俊标，等. 实用化电子束曝光机的真空系统[C]//第十二届全国电子束、离子束、光子束学术会议论文，2003：118-120.

[7]宋敏. 机床噪声的防治研究[J].时代农机，2015（3）：63-65.

[8]国防科学技术工业委员会.GJB 1718A-2005 电子束焊接[S].北京：国防科学工委军标出版发行部，2005.